PAGEI摘要雙容水箱液位控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的控制算法完成對過程液位的控制的控制系統(tǒng)，它在飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程中均有廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計中充分利用自動化儀表技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進(jìn)行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設(shè)計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析.然后，設(shè)計并組建儀表過程控制系統(tǒng),通過智能調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)對液位的串級PID控制。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑MCGS組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計并組建遠(yuǎn)程計算機(jī)過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：液位，模型，PID控制,儀表過程控制系統(tǒng),計算機(jī)過程控制系統(tǒng)AbstractDoubletankwaterlevelcontrolsystemistheuseofadvancedcontrolalgorithmofprocessliquidlevelcontrolsystem，itisinthebeverage，foodprocessing，filteringsolution,chemicalproductionandotherindustriesintheproductionprocesshasbeenwidelyused.Inthedesignofthefulluseofautomationtechnology,computertechnology，communicationtechnologyandautomaticcontroltechnology，inordertoachievethewatertankliquidlevelcascadecontrol。Firstly，theobjectmodelisanalyzed，andtheexperimentalmodelingmethodformodeltransferfunction.Secondly,accordingtothecontrolledobjectmodelandthecontrolledprocesscharacteristicdesignofcascadecontrolsystem，usingdynamicsimulationtechnologytothecontrolsystemperformanceanalysis。Then,designandconstructionprocesscontrolinstrumentationsystem,throughtheintelligentcontrollerforliquidlevelcascadePIDcontrol。Finally,withthehelpofadataacquisitionmodule，MCGSconfigurationsoftwareanddigitalcontroller,designandestablishmentofaremotecomputerprocesscontrolsystem,completecontrolsystemexperimentandresultanalysisKeywords:liquidlevel，modelPIDcontrol，indicatorprocesscontrolsystem，computerprocesscontrolsystem目錄_Toc106775327""摘要 Ⅰ”1緒論 1_Toc106775334”"2被控對象建模 2HYPERLINK”"）！setdevice（調(diào)節(jié)儀1，6，”write（0,0）”）!setdevice(調(diào)節(jié)儀1，6，”write(24,0)"）！setdevice（調(diào)節(jié)儀2,1，"”)！setdevice(調(diào)節(jié)儀2，6，"write（0,0）”）!setdevice(調(diào)節(jié)儀2，6,”write（24,0)"）(2)循環(huán)腳本程序下水箱液位SV1=SV1下水箱液位PV1=PV1上水箱液位SV1=20＊OP1/100上水箱液位PV1=PV2if下水箱液位PV1〉20then下水箱液位PV1=20endifif上水箱液位PV1>20then上水箱液位PV1=20(3）退出腳本程序!SetDevice(調(diào)節(jié)儀1，2，”")!SetDevice（調(diào)節(jié)儀2，2,””）endif程序注釋：SetDevice(DevName,DevOp,CmdStr)函數(shù)意義：按照設(shè)備名字對設(shè)備進(jìn)行操作.返回值:數(shù)值型。返回值:=0:調(diào)用正常。<〉0：調(diào)用不正常。參數(shù)：DevName，設(shè)備名，字符型;DevOp，設(shè)備操作碼，數(shù)值型；CmdStr，設(shè)備命令字符串，只有當(dāng)DevOp=6時CmdStr才有意義。DevOp取值范圍及相應(yīng)含義:1：啟動設(shè)備開始工作。2:停止設(shè)備的工作使其處于停止?fàn)顟B(tài).3:測試設(shè)備的工作狀態(tài)。4：啟動設(shè)備工作一次.5：改變設(shè)備的工作周期,CmdStr中包含新的工作周期,單位為ms。6:執(zhí)行指定的設(shè)備命令，CmdStr中包含指定命令的格式4.2.4計算機(jī)設(shè)備窗口設(shè)置:表4。5AI-808P智能儀表設(shè)置設(shè)備名稱:調(diào)節(jié)儀1調(diào)節(jié)儀2設(shè)備注釋：宇光—AI808P儀表宇光—AI808P儀表初始工作狀態(tài)：1-啟動1-啟動最小采集周期（ms）：500500模塊地址：12設(shè)置小數(shù)點位數(shù):1-1位小數(shù)1—1位小數(shù)輸入范圍:10—1～5V10—1～5V連接通道通道類型數(shù)據(jù)對象1數(shù)據(jù)對象20通訊狀態(tài)mm1mm21PV值（液位測量值）pv1pv22SV值（液位給定值）sv1sv23MV值（調(diào)節(jié)器輸出值)op1op218CTRL控制方式ctrl1ctrl223Sn輸入規(guī)格sn1sn225dil下限顯示dil1dil226dih上限顯示dih1dih232CF系統(tǒng)功能cf1cf234通訊地址addr1addr2為了能夠使計算機(jī)與智能儀表順利通信，智能儀表的采樣周期必須與串行接口有相同的采樣周期,這里設(shè)定采樣周期為500ms。4。3儀表過程控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定在組建儀表系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件，實現(xiàn)計算機(jī)與儀表系統(tǒng)通訊后,完成儀表液位控制系統(tǒng)的調(diào)試運行,完成PID參數(shù)的整定，完成儀表控制系統(tǒng)的實驗。根據(jù)液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和被控過程模型,主副被控過程的時間常數(shù)之比在4。5：1左右。主副回路的工作頻率和操作周期相差較大，其動態(tài)聯(lián)系很小可忽略不計。所以副調(diào)節(jié)器按單回路系統(tǒng)方法整定后，可以將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響。而且在液位控制系統(tǒng)的設(shè)計中，對于主參數(shù)下水箱液位的質(zhì)量指標(biāo)要求較高,對副參數(shù)上水箱液位沒有嚴(yán)格的要求。設(shè)置副參數(shù)的目的是為了進(jìn)一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，只要通過主調(diào)節(jié)器參數(shù)整定保證主參數(shù)質(zhì)量,副參數(shù)的控制質(zhì)量可以犧牲一些。采用兩步整定法整定調(diào)節(jié)儀表PID參數(shù)：（1)在工況穩(wěn)定﹑主回路閉合、主副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下,主調(diào)節(jié)器的比例度置于100％，用單回路控制系統(tǒng)的阻尼振蕩法整定，求取副調(diào)節(jié)器比例度和操作周期。(2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于（1）中所求得的數(shù)值上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主回路,求取主回路的比例度和操作周期。（3）根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù)，按單回路系統(tǒng)阻尼振蕩法整定公式計算主副調(diào)節(jié)器的比例度﹑積分時間和微分時間的數(shù)值。（4）按先副后主﹑先比例后積分﹑適當(dāng)加入微分的整定程序，設(shè)置主﹑副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。主副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果如下：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=20,積分時間I=80，微分時間D=10；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=40。對儀表控制系統(tǒng)設(shè)置下水箱液位給定值為50mm，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，突加階躍擾動型號,設(shè)定下水箱液位值為70mm，得到下水箱液位輸出響應(yīng)曲線.圖4.2下水箱液位階躍響應(yīng)曲線5模擬計算機(jī)過程控制系統(tǒng)以下將設(shè)計組建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)對雙容水箱液位系統(tǒng)的控制。雖然仍然是基于“THJ—2高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置”組建，但是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)不同于以智能儀表帶上位機(jī)監(jiān)控為主的儀表過程控制系統(tǒng).遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)屬于計算機(jī)DDC控制系統(tǒng)，它是將模擬量輸入A/I模塊和模擬量輸出A/O模塊，開關(guān)量輸入/輸出D/I,D/O模塊置于計算機(jī)之外，計算機(jī)通過RS232/485通訊轉(zhuǎn)換裝置同ICP—7000系列采集模塊（自帶485通訊接口）通訊。ICP—7000系列采集模塊的作用是將傳感器檢測到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號通過A/D轉(zhuǎn)換送入計算機(jī),計算機(jī)同時也將通過控制運算發(fā)出的控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥、變頻器）。整個控制系統(tǒng)的控制算法及監(jiān)控功能都在控制計算機(jī)中實現(xiàn).5。1計算機(jī)過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計5。1.1信號采集為了實現(xiàn)計算機(jī)控制,需要對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣,轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以利用的數(shù)字信號。應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度綜合考慮信號采集速度和信號數(shù)字化精度這兩個問題。根據(jù)香農(nóng)采樣定理：對于一個具有有限頻譜的連續(xù)信號進(jìn)行采樣，采樣頻率必須大于或等于信號所含最高頻率的兩倍,信號采樣所得的數(shù)值才可以完全復(fù)現(xiàn)原來的信號。需要依據(jù)液位對象的特性﹑加入對象的擾動大小和頻率和系統(tǒng)性能指標(biāo)要求綜合選擇適當(dāng)采樣周期。5。1。2模擬量輸入通道在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸入通道一般包括了I/V變換電路﹑多路轉(zhuǎn)換器﹑采樣保持器﹑A/D轉(zhuǎn)換器﹑接口﹑控制邏輯。模擬量輸入通道的任務(wù)是把通過壓力變送器檢測到的模擬信號（4～20標(biāo)準(zhǔn)電流信號),經(jīng)過I/V變換轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的1～5電壓信號，在經(jīng)過采樣為離散的模擬信號并量化成為二進(jìn)制的數(shù)字信號，經(jīng)接口送到計算機(jī)中。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng),將使用ICP—7017數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能。7017A/D轉(zhuǎn)換模塊：數(shù)據(jù)采集程序存儲在EEPROM中,由內(nèi)部控制器控制邏輯執(zhí)行，控制轉(zhuǎn)換開關(guān)在8路模擬信號間轉(zhuǎn)換，模擬量送入A/D通道后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將其與模擬量輸入通道號對應(yīng)，等待計算機(jī)查詢，數(shù)據(jù)通過RS—485接口傳送至計算機(jī)。7017A/D轉(zhuǎn)換模塊技術(shù)指標(biāo)：模擬輸入類型：mV，V,mA.采樣率：10次/s帶寬：15。7Hz準(zhǔn)確率:±0。1%零點漂移：20μV/℃波特率：9600bps量程：-10V~10V–5V～5V—1～1V–500mV~500Mv-150mV～150mV-20mA~20mA對應(yīng)8000～7FFF電源輸入：10～30VDC 電源功耗：1。3W。圖5。17017內(nèi)部示意圖圖5.27024內(nèi)部示意圖5.1.3模擬量輸出通道在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量輸出通道一般包括接口電路﹑D/A轉(zhuǎn)換器﹑V/I變換等。模擬量輸出通道的任務(wù)是將計算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號，以便驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電動調(diào)節(jié)閥）。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)，將使用ICP—7024數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能。7024D/A轉(zhuǎn)換模塊：數(shù)據(jù)采集程序存儲在EEPROM中,計算機(jī)將數(shù)據(jù)通過RS-485接口送給7024D/A轉(zhuǎn)換模塊，由內(nèi)部控制器按控制程序?qū)?shù)據(jù)送入對應(yīng)DAC通道，轉(zhuǎn)換為模擬電壓/電流輸出。7024D/A轉(zhuǎn)換模塊技術(shù)指標(biāo)：模擬量輸出類型:V，mA.帶寬：15.7Hz準(zhǔn)確率：±0.1%波特率：9600bps零點漂移：±30μV/℃±20μA/℃量程:0～20mA4mA～20mA0V～10V-10V~10V0V～5V—5V~5V電源輸入：10～30VDC 電源功耗:2。3W5。1。4計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計：圖5.3采集模塊電路原理圖5。2MCGS軟件工程組態(tài)通過MCGS組態(tài)軟件在控制計算機(jī)上構(gòu)建一個人機(jī)交互界面，經(jīng)過RS232/485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊的通訊，將檢測變送裝置的信號傳送到控制計算機(jī)中,從而在人機(jī)交互界面中可以對水箱液位對象進(jìn)行監(jiān)控﹑控制器設(shè)計改造﹑數(shù)據(jù)瀏覽和存儲﹑記錄實驗曲線等。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作,完成不同的工作,具有不同的特性MCGS組態(tài)軟件的工作方式：(1）MCGS與設(shè)備通訊：MCGS通過設(shè)備驅(qū)動程序與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備指令。設(shè)備驅(qū)動程序是由VB程序設(shè)計語言編寫的DLL(動態(tài)連接庫）文件，設(shè)備驅(qū)動程序中包含符合各種設(shè)備通訊協(xié)議的處理程序，將設(shè)備運行狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)采集進(jìn)來或發(fā)送出去。MCGS負(fù)責(zé)在運行環(huán)境中調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，將數(shù)據(jù)傳送到工程中各個部分，完成整個系統(tǒng)的通訊過程.每個驅(qū)動程序獨占一個線程,達(dá)到互不干擾的目的。（2）MCGS產(chǎn)生動畫效果：MCGS為每一種基本圖形元素定義了不同的動畫屬性，每一種動畫屬性都會產(chǎn)生一定的動畫效果.所謂動畫屬性是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態(tài)的特征參數(shù)。在圖形的每一種動畫屬性中都有一個“表達(dá)式”設(shè)定欄，其中設(shè)定一個與圖形狀態(tài)相聯(lián)系的數(shù)據(jù)變量,連接到實時數(shù)據(jù)庫中，以此建立相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系,MCGS稱之為動畫連接。（3）當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場中測控對象的狀態(tài)（如：水箱液位高度等）發(fā)生變化時，通過設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⒆兓臄?shù)據(jù)采集到實時數(shù)據(jù)庫的變量中，該變量是與動畫屬性相關(guān)的變量,數(shù)值的變化,使圖形的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的變化（如高低變化）?，F(xiàn)場的數(shù)據(jù)是連續(xù)被采集進(jìn)來的，這樣就會產(chǎn)生逼真的動畫效果(如水箱液面的升高和降低）。用戶也可編寫程序來控制動畫界面，以達(dá)到滿意的效果。(4)MCGS實施遠(yuǎn)程多機(jī)監(jiān)控：MCGS提供了一套完善的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制,可通過TCP/IP網(wǎng)、Modem網(wǎng)和串口網(wǎng)將多臺計算機(jī)連接在一起，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的實時數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)同步和網(wǎng)絡(luò)事件的快速傳遞.同時，可利用MCGS提供的網(wǎng)絡(luò)功能，在工作站上直接對服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作。分布式網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的每一臺計算機(jī)都要安裝一套MCGS工控組態(tài)軟件。MCGS把各種網(wǎng)絡(luò)形式，以父設(shè)備構(gòu)件和子設(shè)備構(gòu)件的形式，供用戶調(diào)用，并進(jìn)行工作狀態(tài)、端口號、工作站地址等屬性參數(shù)的設(shè)置。（5)MCGS控制工程運行流程：MCGS開辟了專用的“運行策略”窗口，建立用戶運行策略。MCGS提供了豐富的功能構(gòu)件，供用戶選用，通過構(gòu)件配置和屬性設(shè)置兩項組態(tài)操作，生成各種功能模塊，使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件，操作實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對動畫窗口的任意切換，控制系統(tǒng)的運行流程和設(shè)備的工作狀態(tài)。所有的操作均采用面向?qū)ο蟮闹庇^方式，避免了煩瑣的編程工作.在MCGS組態(tài)環(huán)境下的工程組態(tài)流程如下5.2.1主控窗口設(shè)計主控窗口是工程的主窗口或主框架，是所有設(shè)備窗口和用戶窗口的父窗口。在主控窗口中可以放置一個設(shè)備窗口和多個用戶窗口，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉.并調(diào)度用戶策略的運行。同時，主控窗口又是組態(tài)工程結(jié)構(gòu)的主框架，可在主控窗口內(nèi)建立菜單系統(tǒng)，創(chuàng)建各種菜單命令，展現(xiàn)工程的總體概貌和外觀，設(shè)置系統(tǒng)運行流程及特征參數(shù),方便用戶的操作。在MCGS單機(jī)版中，一個應(yīng)用系統(tǒng)只允許有一個主控窗口，主控窗口是作為一個獨立的對象存在的，其強(qiáng)大的功能和復(fù)雜的操作都被封裝在對象的內(nèi)部，組態(tài)時只需對主控窗口的屬性進(jìn)行正確地設(shè)置即可.主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設(shè)計封面圖形,確定自動啟動的窗口，設(shè)定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等.圖5.4主控窗口組態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.2。2設(shè)備窗口設(shè)計設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(jiān)控。在MCGS中，實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動的基本方法是：在設(shè)備窗口內(nèi)配置不同類型的設(shè)備構(gòu)件，并根據(jù)外部設(shè)備的類型和特征，設(shè)置相關(guān)的屬性，將設(shè)備的操作方法如硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設(shè)備調(diào)試等都封裝在構(gòu)件之中,以對象的形式與外部設(shè)備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。系統(tǒng)運行過程中，設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理，通過通道連接,向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù),從實時數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分,進(jìn)行控制運算和流程調(diào)度，實現(xiàn)對設(shè)備工作狀態(tài)的實時檢測和過程的自動控制。MCGS的這種結(jié)構(gòu)形式使其成為一個“與設(shè)備無關(guān)”的系統(tǒng)，對于不同的硬件設(shè)備，只需定制相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)件，放置到設(shè)備窗口中，并設(shè)置相關(guān)的屬性,系統(tǒng)就可對這一設(shè)備進(jìn)行操作，而不需要對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作任何改動.MCGS設(shè)備中一般都包含有一個或多個用來讀取或者輸出數(shù)據(jù)的物理通道，MCGS把這樣的物理通道稱為設(shè)備通道,如：模擬量輸入裝置的輸入通道、模擬量輸出裝置的輸出通道、開關(guān)量輸入輸出裝置的輸入輸出通道等等，這些都是設(shè)備通道.設(shè)備通道只是數(shù)據(jù)交換用的通路，而數(shù)據(jù)輸入到哪兒和從哪兒讀取數(shù)據(jù)以供輸出，即進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的對象，則必須由用戶指定和配置.（1）通用串口父設(shè)備設(shè)置通用串口父設(shè)備是提供串口通訊功能的父設(shè)備,下面可以掛接所有通過串口連接的設(shè)備,提供通過Modem進(jìn)行遠(yuǎn)程采集或遠(yuǎn)程監(jiān)聽的功能。并可以在運行時動態(tài)改變撥出的電話號碼.在基本屬性頁中,設(shè)置了串口的基本屬性，包括端口號，通訊波特率，數(shù)據(jù)位位數(shù)，停止位位數(shù)，數(shù)據(jù)校驗方式，這些設(shè)置可以按照設(shè)備的要求來設(shè)置.數(shù)據(jù)采集方式規(guī)定了串口父設(shè)備下的子設(shè)備的采集方式,使用同步采集時，所有子設(shè)備都按照父設(shè)備的采集周期依次采集。使用異步采集時，每個子設(shè)備可以設(shè)置自己的采集時間，在需要的時候采集。甚至子設(shè)備可以把采集時間設(shè)置為0，使得此子設(shè)備在一般情況下不采集，只在使用設(shè)備命令采集一次的時候才采集數(shù)據(jù)。在MCGS中父設(shè)備的含義：凡是使用計算機(jī)串口采集數(shù)據(jù)的設(shè)備（如PLC,儀表，變頻器，智能模塊等）都必須掛在父設(shè)備下面，統(tǒng)一由父設(shè)備來管理通信.表5。1串口父設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：通用串口父設(shè)備初始工作狀態(tài):1—啟動最小采集周期:500ms串口端口號：1—COM2通訊波特率:6-6900數(shù)據(jù)位位數(shù)：1-8位停止位位數(shù)：0—1位數(shù)據(jù)校驗方式：0—無校驗位數(shù)據(jù)采集方式:1-異步采集(2）ICP-7017設(shè)備設(shè)置：表5。2ICP-7017設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：ICP—7017通道對應(yīng)數(shù)據(jù)對象通道類型周期初始工作狀態(tài):1-啟動0mm1通訊狀態(tài)標(biāo)志位1最小采集周期：500ms1PV1AD01設(shè)備地址:22PV2AD11數(shù)據(jù)格式：0—工程單位3PV3AD21是否要求校驗：0—無校驗濾波（3）ICP—7024設(shè)備設(shè)置：表5。3ICP-7024設(shè)備參數(shù)設(shè)置設(shè)備名稱：ICP—7024通道對應(yīng)數(shù)據(jù)對象通道類型周期初始工作狀態(tài)：1-啟動0通訊狀態(tài)1最小采集周期：500ms1OP2DA01設(shè)備地址:12OP4DA11是否要求校驗：0—無校驗5.2。3用戶窗口設(shè)計用戶窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面,在用戶窗口下通過MCGS組態(tài)的各種功能，可以實現(xiàn)以下子窗口的設(shè)計：（1)雙容水箱液位串級控制窗口通過動畫組態(tài)和屬性設(shè)置完成人機(jī)對話主界面，實現(xiàn)模擬工程界面﹑數(shù)據(jù)顯示﹑參數(shù)設(shè)置﹑報警顯示﹑通訊狀態(tài)顯示﹑工程曲線顯示﹑控制按鈕等功能.（2）歷史數(shù)據(jù)瀏覽窗口提供所需采樣時刻對應(yīng)的液位數(shù)據(jù)(下水箱PV2，下水箱PV1，下水箱SV，電動閥門OP）,可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)瀏覽﹑數(shù)據(jù)存盤，用于工程分析計算。（3）歷史曲線瀏覽窗口顯示整個一段液位總體變化情況的曲線（下水箱PV2,下水箱SV，上水箱PV1，電動閥門OP對應(yīng)的變化曲線），可以顯示和保存長時間的變化曲線。（5）報警記錄對液位的報警實施監(jiān)控.圖5.5用戶窗口組態(tài)結(jié)構(gòu)圖利用MCGS軟件設(shè)計計算機(jī)控制界面如下:圖5.6計算機(jī)控制界面組態(tài)結(jié)構(gòu)圖5。2.4實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計實時數(shù)據(jù)庫是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心,它將MCGS工程的各個部分連接成有機(jī)的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接及設(shè)備驅(qū)動的對象。實時數(shù)據(jù)庫是MCGS的核心，各部分之間的數(shù)據(jù)交換均須通過實時數(shù)據(jù)庫，所有的設(shè)備通道都必須與實時數(shù)據(jù)庫連接。在MCGS中，數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)意義的數(shù)據(jù)或變量,以數(shù)據(jù)對象的形式來進(jìn)行操作與處理。數(shù)據(jù)對象它不僅包含了數(shù)據(jù)變量的數(shù)值特征，還將與數(shù)據(jù)相關(guān)的其它屬性（如數(shù)據(jù)的狀態(tài)、報警限值等）以及對數(shù)據(jù)的操作方法(如存盤處理、報警處理等)封裝在一起，作為一個整體,以對象的形式提供服務(wù)，這種把數(shù)值、屬性和方法定義成一體的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)對象。在MCGS中，用數(shù)據(jù)對象來描述系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù),用對象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的值變量，把數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理的所有數(shù)據(jù)對象的集合為實時數(shù)據(jù)庫。開關(guān)型數(shù)據(jù)對象記錄開關(guān)信號(0或非0），與外部設(shè)備的數(shù)字量輸入輸出通道連接，用來表示某一設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài).數(shù)值型數(shù)據(jù)對象存放數(shù)值及參與數(shù)值運算，提供報警信息，并能夠與外部設(shè)備的模擬量輸入輸出通道相連接。數(shù)值型數(shù)據(jù)對象的數(shù)值范圍是：負(fù)數(shù)是從—3。402823E38到—1.401298E-45，正數(shù)是從1.401298E-45到3.402823E38。數(shù)據(jù)組對象是MCGS引入的一種特殊類型的數(shù)據(jù)對象,類似于一般編程語言中的數(shù)組和結(jié)構(gòu)體,用于把相關(guān)的多個數(shù)據(jù)對象集合在一起，作為一個整體來定義和處理。液位串級系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫：表5.4實時數(shù)據(jù)庫參數(shù)設(shè)置inputETime字符型jf數(shù)值型inputSTime字符型lastwz數(shù)值型inputUser1字符型method數(shù)值型InputUser2字符型op數(shù)值型a數(shù)值型op1數(shù)值型b數(shù)值型op2數(shù)值型c數(shù)值型op3數(shù)值型d數(shù)值型q00數(shù)值型e數(shù)值型p數(shù)值型e0數(shù)值型p1數(shù)值型e1數(shù)值型pf數(shù)值型e2數(shù)值型pv開關(guān)型Com1數(shù)值型pv1數(shù)值型alarm開關(guān)型pv2數(shù)值型alarm1開關(guān)型Pv3數(shù)值型alarmsv數(shù)值型Pv4數(shù)值型df數(shù)值型組組對象difference數(shù)值型sv數(shù)值型t1數(shù)值型sv1數(shù)值型td數(shù)值型sv2數(shù)值型thisop數(shù)值型sv3數(shù)值型ti數(shù)值型ti1數(shù)值型ts數(shù)值型wz數(shù)值型Zlpid數(shù)值型存盤數(shù)據(jù)字符型方式顯示字符型通信字符型5.2。5數(shù)字PID控制器設(shè)計在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中,被控對象的液位變化是連續(xù)的，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中計算機(jī)利用的是離散的信號，所以要對模擬PID控制器進(jìn)行離散化處理。在模擬控制系統(tǒng)中PID控制規(guī)律的表達(dá)式為： 式（5.1）將積分與微分項分別改寫為差分方程式（5。2)式（5.3）T:采樣周期k：采樣序號e（k—1），e(k）:第k—1和第k次采樣所得偏差信號。得到數(shù)字PID控制器算式:式（5。4）u（k）:第k時刻的控制輸出，則遞推可的,從而得出增量式PID式(5.5）將模擬PID控制器的結(jié)構(gòu)圖改造為數(shù)字PID結(jié)構(gòu)圖得:輸出值輸出值Cf1(t)ei2ei1給定值RPIDPPD/AP調(diào)節(jié)閥P上水箱P下水箱P測量與變送器1A/DA/D測量與變送器2f2(t)圖5。7數(shù)字PID控制結(jié)構(gòu)圖由于雙容水箱液位控制系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動式調(diào)節(jié)閥，控制量對應(yīng)閥門的開度，表征了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用上述形式的數(shù)字PID位置式控制算法.組態(tài)中腳本程序的流程圖如下：(手動控制僅以上水箱為例)開始開始通訊是否正常正常指示正常指示通信失敗手動控制？自動方式手動方式循環(huán)程序設(shè)定值等于測量值op=thisop副PID輸出等于閥門開度報警液位偏差>設(shè)定值？NYNYYN圖5。8控制流程圖在MCGS組態(tài)環(huán)境的用戶窗口中添加控制程序，實現(xiàn)PID算法.1.添加啟動腳本程序！setdevice(7024，1，””）/啟動7024數(shù)據(jù)采集模塊!setdevice(7017，1，””)/啟動7017數(shù)據(jù)采集模塊sv1=0sv2=0set=0/初始運行狀態(tài)下水箱pv2=0上水箱pv1=0下水箱sv=0OP=02。添加退出腳本程序!setdevice(7024，2,"”）/關(guān)閉7024數(shù)據(jù)采集模塊！setdevice(7017,2,"")/關(guān)閉7017數(shù)據(jù)采集模塊sv1=0sv2=0set=0下水箱pv2=0上水箱pv1=0下水箱sv=0op=03．添加循環(huán)腳本程序ifmethod=0then方式顯示=”手動方式”sv1=pv1sv3=op/2.4pv=pv1a=99.16b=1。00c=2。45！setstgy（ZOP）pv1=pvelse方式顯示="自動方式”sv3=svpv=pv2！setstgy（主PID）sv1=thisopsv3=sv1pv=pv1p=p1!setstgy(副PID）op=thisop/2。4e=opsv3=ea=99.16b=1.00c=2。45!setstgy（ZOP）pv1=pv/2。4sv3=pv1a=447.63b=1c=5。45!setstgy(ZOP)pv2=pv/2.4endifif!GetDevicestate(設(shè)備1)=1andcom1=0and！GetDevicestate(設(shè)備2）=1then通信="設(shè)備工作正?！眅lse通信="設(shè)備停止?fàn)顟B(tài)"endifdifference=！abs(pv2—sv）ifdifference>=alarmsvthenalarm1=1elsealarm1=0endif!setdevice（設(shè)備1,6,"write（10,采樣周期）”)！setdevice(設(shè)備2，6，”write(10,采樣周期)”）op2=opsv2=svpv3=pv2op3=op1pv4=pv15。3組態(tài)軟件調(diào)試根據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖完成硬件電路接線工作，完成MCGS軟件的調(diào)試運行工作。通過三相380V/10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向電動調(diào)節(jié)閥供電。壓力變送器輸出的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號（上下水箱液位檢測信號)串聯(lián)250Ω電阻，轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號,分別送入智能采集模塊ICP-7017的第一輸入通道A/I0和第二輸入通道A/I1,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化將液位參數(shù)送到計算機(jī)。智能采集模塊ICP-7024接受計算機(jī)離散控制信號,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，其第二輸出通道的A/O1與24V開關(guān)電源，電動調(diào)節(jié)閥信號輸入端口相串聯(lián)，從而輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號（上下水箱液位控制信號）給電動調(diào)節(jié)閥，控制其開度。仍采用兩步整定法整定調(diào)節(jié)儀表PID參數(shù):（1）在工況穩(wěn)定﹑主回路閉合，主副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%,用單回路控制系統(tǒng)的阻尼振蕩法整定，求取副調(diào)節(jié)器比例度和操作周期。（2)將副調(diào)節(jié)器的比例度置于（1）中所求得的數(shù)值上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié),用同樣的方法整定主回路,求取主回路的比例度和操作周期。（3）根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù),按單回路系統(tǒng)阻尼振蕩法整定公式計算主副調(diào)節(jié)器的比例度﹑積分時間和微分時間的數(shù)值。(4）按先副后主﹑先比例后積分﹑適當(dāng)加入微分的整定程序,設(shè)置主﹑副調(diào)節(jié)器的參數(shù),再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。主副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定結(jié)果如下：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=50，積分時間I=40，微分時間D=8；副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)P=38。在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，設(shè)定下水箱液位設(shè)定值為50mm,等待系統(tǒng)穩(wěn)定后，突加階躍擾動（將設(shè)定值增加60%）將給定值加到80mm得到下水箱液位輸出響應(yīng)曲線。圖5.9水箱液位階躍響應(yīng)曲線結(jié)果分析：計算機(jī)系統(tǒng)中的控制器工作方式為正作用，輸入增大時，輸出趨向越大.位置式PID算法，通過測量位置信號的采樣反饋，與給定值相比較，調(diào)節(jié)偏差。根據(jù)PID控制的特性再調(diào)節(jié)參數(shù),使系統(tǒng)達(dá)到較滿意的狀態(tài)。加階躍信號后觀察系統(tǒng)的動態(tài)性能,由曲線和響應(yīng)數(shù)據(jù)得延遲時間Td=90s，峰值時間Tp=170s，調(diào)節(jié)時間Ts=700s,超調(diào)量為19%(最大峰值85.7mm),，衰減比3:1。通過增加比例系數(shù)克服擾動,但比例系數(shù)的加大會使上升速度加快，曲線變陡，造成調(diào)節(jié)閥動作幅度的加大，引起被調(diào)量的來回波動。因為在調(diào)節(jié)參數(shù)中加大了積分的作用，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，使得超調(diào)量加大，但對消除余差有較好效果。加入適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?可以使系統(tǒng)超調(diào)減小，但加入過大微分作用，會造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定，陷入振蕩中。在計算機(jī)中改變PID參數(shù)后，調(diào)節(jié)閥不能很快動作，特別是在上升到接近階躍輸入設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥輸出值減少過慢，使液位超過設(shè)定值后仍在上升會造成超調(diào)增大。且調(diào)節(jié)閥本身存在死區(qū)，使得調(diào)節(jié)時間加長，系統(tǒng)不易穩(wěn)定。6結(jié)論通過本次畢業(yè)設(shè)計,我將書本上學(xué)過的知識（自動控制原理、過程控制原理、微機(jī)控制技術(shù)等）應(yīng)用于實際控制系統(tǒng)的組建之中，完成了儀表過程控制系統(tǒng)和計算機(jī)過程控制系統(tǒng)的組建,實現(xiàn)了對雙容水箱液位的串級控制。在實際的工程實踐中，我受益非淺，學(xué)習(xí)到了許多新的知識，掌握了實際操作的技能，特別是能夠?qū)械闹R與實際設(shè)計聯(lián)系起來，使對自動控制的理解上升到一個新的臺階。在設(shè)計中使用了MATLAB軟件，利用這個軟件可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和建模。特別是利用SIMULINK工具箱可以便捷地對不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,通過對PID控制的仿真，可以清楚的比較不同控制方案的優(yōu)劣，對在設(shè)計控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題在計算機(jī)中進(jìn)行模擬，使對系統(tǒng)的設(shè)計方案更加明確。在組建計算機(jī)控制系統(tǒng)中使用了MCGS組態(tài)軟件，利用這個軟件可以輕松的建立起計算機(jī)控制界面，完成控制系統(tǒng)的計算機(jī)控制、數(shù)據(jù)交換、曲線輸出、實時監(jiān)測、報警設(shè)置、動畫顯示等功能，同時提供廣泛的擴(kuò)展工具，便利實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計和組建。在實際控制系統(tǒng)的組建中,控制方案的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的核心，一個好的設(shè)計方案能夠使系統(tǒng)的設(shè)計事半功倍，應(yīng)當(dāng)根據(jù)被控過程的特性和工程要求綜合設(shè)計系統(tǒng)。對于設(shè)計的兩種控制系統(tǒng)，可以做進(jìn)一步的改進(jìn)。在設(shè)計方案方面，由于是通過控制電動調(diào)節(jié)閥的開度以改變水箱液位,可以增加輸入的水流量作為控制對象，使得對調(diào)節(jié)閥的控制更加直接。同時上下水箱間的輸水閥和下水箱與總出水箱輸水閥的開度大小也會對液位的控制造成影響,應(yīng)當(dāng)考慮如何對他們進(jìn)行控制.在硬件設(shè)備方面，可以使用采集速度更快的儀表,加強(qiáng)控制器的調(diào)節(jié)能力,改善電動調(diào)節(jié)閥的工作性能。在條件允許的情況下，采用更高精度的采集模塊。在控制器方面，可以對控制方法進(jìn)行改善，雖然電動調(diào)節(jié)閥的控制信號是位置信號，但調(diào)節(jié)閥動作仍是通過控制電機(jī)改變閥位,可考慮能否采用增量算法直接控制電機(jī)，克服位置算法中因需要累加偏差而造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作過大的缺點。在實際的工作崗位上，將要設(shè)計不同的控制系統(tǒng)，工業(yè)現(xiàn)場的過程控制系統(tǒng)不同于實驗中的控制系統(tǒng)的設(shè)計，更不同于書本中的理論和公式，要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實際情況進(jìn)行設(shè)計，將面臨遠(yuǎn)比實驗室復(fù)雜的多的現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)計系統(tǒng)未必是最先進(jìn)的、最現(xiàn)代化，但必須是有效、可行、可靠.參考文獻(xiàn)［1］胡壽松。自動控制原理[M].北京：科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